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2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_09 - Biologia


Objetivos de aprendizagem associados a 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_09

  • Crie uma ilustração rotulada representando uma bactéria típica ou célula de archaeal. O desenho deve incluir algumas características comuns que distinguem as células bacterianas e arqueadas das células eucarióticas.
  • Descreva algumas das "necessidades" básicas que as células bacterianas e arqueadas têm para a sobrevivência e discuta algumas das restrições físicas que podem limitar o tamanho das células bacterianas e arqueadas.
  • Explique como as moléculas se movem para dentro e para fora das células.
  • Discuta os vários papéis funcionais desempenhados por uma membrana biológica.
  • Descreva as qualidades e componentes da membrana plasmática.
  • Defina as propriedades das moléculas que podem viajar através da membrana plasmática e compare-as com propriedades que tornam outras moléculas incapazes de penetrar na membrana.
  • Compare e contraste a influência de diferentes comprimentos de cadeia de fosfolipídios e grau de saturação em lipídios da membrana na fluidez da membrana.
  • Compare e contraste difusão passiva, difusão facilitada e transporte ativo.

Introdução à diversidade bacteriana e arqueológica

Talvez as bactérias possam, provisoriamente,ser consideradocomo experimentos bioquímicos; devido ao seu tamanho relativamente pequeno e rápido crescimento, as variações devem surgir com muito mais frequência do que em formas de vida mais diferenciadas, e podem, além disso, ocupar posições mais precárias emnaturaleconomia do que organismos maiores com requisitos mais exigentes. - Marjory Stephenson, em Bacterial Metabolism, (1930)

Procariontes são organismos unicelulares sem um núcleo ligado à membrana nem outras organelas ligadas à membrana lipídica.Eles são compostosde dois grupos de organismos filogeneticamente distintos: Bacteria e Archaea. Nos últimos anos, o termo procarioto caiu em desuso para muitos microbiologistas. A razão é que, embora as bactérias e arqueas compartilhem muitas características morfológicas, elasno entanto,representam domínios evolutivamente distintos da vida. A figura abaixo mostra uma árvore filogenética simples com os três domínios principais da vida: Bactéria, Archaea e Eukarya. Isso significa que não devemos usar o termo procarionte com a intenção de agrupar as bactérias e arqueas com base na história evolutiva compartilhada. É, no entanto, conveniente usar o termo "procarionte" ao descrever os grupos de organismos que compartilham as características morfológicas comuns (ou seja, nenhum núcleo) e alguns de seus instrutores provavelmente o farão. Quando você ouvir ou usar o termo "procarionte", portanto, certifique-senaquelanão está sendo usado ou não implica que as bactérias e as arqueas façam parte do mesmo grupo filogenético. Em vez disso, façacerteza de que o uso do termo "procarioto" é limitadopara descrever as características físicas comuns desses dois grupos microbianos.

Figura 1. Embora as bactérias e arqueas sejam descritas como procariontes,eles foram colocadosem domínios separados da vida. Acredita-se que um ancestral das arquéias modernas tenha dado origem ao Eukarya, o terceiro domínio da vida. Os filos arquea e bacteriano são mostrados; a relação evolutiva exata entre esses filos ainda está aberta ao debate.

Embora as bactérias e as arquéias compartilhem muitos atributos morfológicos, estruturais e metabólicos, existem muitas diferenças entre os organismos nesses dois clados. As diferenças mais notáveis ​​estão na estrutura química e nas composições dos lipídios da membrana, na composição química da parede celular e na composição da maquinaria de processamento de informações (por exemplo, replicação, reparo de DNA e transcrição).

Diversidade bacteriana e arqueológica

Bactérias e arquéias já existiam na Terra muito antes do surgimento da vida multicelular. Eles são onipresentes e têm atividades metabólicas altamente diversas. Essa diversidade permite que diferentes espécies dentro dos clados habitem todas as superfícies imagináveis ​​onde há umidade suficiente. Por exemplo, algumas estimativas sugerem que, no corpo humano típico, as células bacterianas superam as células do corpo humano em cerca de dez para um. Bactérias e arquéias constituem a maioria dos seres vivos em todos os ecossistemas. Certas espécies de bactérias e archaeal podem prosperar em ambientes inóspitos para a maioria das outras formas de vida. Bactérias e arquéias, juntamente com eucariotos microbianos, também são essenciais para a reciclagem do nutrientes essencial para a criação de novas biomoléculas. Eles também impulsionam a evolução de novos ecossistemas (naturais ou artificiais).

Os primeiros habitantes da Terra

A Terra e sua lua são pensadaster cerca de 4,54 bilhões de anos.Esta estimativa é baseadaem evidências de datação radiométrica de material de meteorito, juntamente com outro material de substrato da Terra e da lua. A Terra primitiva tinha uma atmosfera muito diferente (continha menos oxigênio molecular) do que hoje efoi submetidoa forte radiação; Assim, os primeiros organismos teriam florescido em áreas onde estavam mais protegidos, como nas profundezas do oceano ou abaixo da superfície da Terra. Durante este período, forte atividade vulcânica era comum na Terra, então é provável que a evolução adaptou esses primeiros organismos a temperaturas muito altas.A Terra primitiva também foi bombardeadacom radiação mutagênica do sol. Os primeiros organismos, portanto, precisaram resistir a todas essas condições adversas.

Então, quando e onde a vida começou? Quais eram as condições na Terra quando a vida começou? O que LUCA (o último ancestral comum universal), o antecessor das bactérias e arqueas parece? Embora não saibamos exatamente quando e como a vida surgiu e como era quando surgiu, nósFaztenhoum número dehipóteses baseadas em vários dados biológicos e geológicos que descrevemos brevemente a seguir.

A atmosfera antiga

Provasindicaque durante os primeiros dois bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera foi anóxico, o que significa que não havia oxigênio molecular. Portanto, apenas os organismos que podem crescer sem oxigênio -anaeróbico organismos - poderiam viver. Organismos autotróficos que convertem energia solar em energia químicasão chamadosfototróficos, e elesapareceudentro de um bilhão de anos após a formação da Terra. Então, cianobactéria, também conhecidas como algas verde-azuladas, evoluíram a partir desses fototróficos simples um bilhão de anos depois. As cianobactérias começaram a oxigenar a atmosfera. O aumento do oxigênio atmosférico permitiu o desenvolvimento de O mais eficiente2-utilizandovias catabólicas. Também abriu o terreno para o aumento da colonização, porquealgum O2é convertidoem O3 (ozônio) e o ozônio absorve a luz ultravioleta que, de outra forma, causaria mutações letais no DNA. Em última análise, o aumento de O2 as concentrações permitiram a evolução de outras formas de vida.

Nota: A evolução de bactérias e arquéias

Como os cientistas respondem às perguntas sobre a evolução das bactérias e arqueas? diferentecomanimais, artefatos no registro fóssil de bactérias e arqueas oferecem muito pouca informação. Fósseis de bactérias e arquéias ancestrais parecem pequenas bolhas na rocha. Alguns cientistas recorrem à genética comparativa que, como o próprio nome sugere, é um domínio da biologia que faz comparações quantitativas da informação genética entre duas ou mais espécies. Uma suposição básica emo campo deA genética comparativa é que quanto mais recentemente duas espécies divergiram, mais semelhante será sua informação genética. Por outro lado, as espécies que divergiram há muito tempo terão mais genes diferentes. Portanto, a comparação de sequências genéticas entre organismos pode lançar luz sobre suas relações evolutivas e permitir que os cientistas criem modelos de como poderia ter sido a composição genética dos ancestrais dos organismos comparados.

Cientistas do Instituto de Astrobiologia da NASA e do Laboratório Europeu de Biologia Molecular colaboraram para analisar a evolução molecular de 32 proteínas específicas comuns a 72 espécies de bactérias. O modelo que eles derivaram de seus dadosindicaque três grupos importantes de bactérias - Actinobactérias, Deinococcus, e cianobactérias (que os autores chamam Terrabacteria) - foram provavelmente os primeiros a colonizar terras. Organismos do gênero Deinococcus são bactérias quetende a seraltamente resistente à radiação ionizante. As cianobactérias são fotossintetizantes, enquanto as actinobactérias são um grupo de bactérias muito comuns que incluem espécies importantes na decomposição de resíduos orgânicos.

As linhas do tempo da divergência entre as espécies sugerem que as bactérias (membros do domínio Bacteria) divergiram das espécies ancestrais comuns entre 2,5 e 3,2 bilhões de anos atrás, enquanto as arquéias divergiram antes: entre 3,1 e 4,1 bilhões de anos atrás. Eukarya divergiu da linha arqueana mais tarde. Havia bactérias capazes de crescer no ambiente anóxico que existia antes deo advento decianobactérias (cerca de 2,6 bilhões de anos atrás). Essas bactérias precisavam ser resistentes à secagem e possuir compostos que protegessem o organismo da radiação.Foi propostoque o surgimento de cianobactérias com sua capacidade de conduzir a fotossíntese e produzir oxigênio foi um evento chave na evolução da vida na Terra.

Esteiras microbianas

Esteiras microbianas (grandes biofilmes) podemser representante dea mais antiga estrutura visível formada pela vida na Terra; há evidências fósseis de sua presença a partir de cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. UMA tapete microbiano é uma folha multicamadas de micróbios composta principalmente debactériasmas isso também pode incluir archaea. Os tapetes microbianos têm alguns centímetros de espessura e normalmente crescem na interface entre dois materiais, principalmente em superfícies úmidas. Organismos em um tapete microbianosão mantidosjuntos por uma substância pegajosa semelhante a cola que secretam, formando uma matriz extracelular. As espécies dentro da esteira realizam diferentes atividades metabólicas, dependendo de seu ambiente. Como resultado,tapetes microbianos foram identificadosque possuem diferentes texturas e cores refletindo a composição da manta e as atividades metabólicas conduzidas pelos microrganismos que a compõem.

As primeiras esteiras microbianas provavelmente coletaram energia por meio de reações redox (discutidas em outro lugar) de produtos químicos encontrados perto de fontes hidrotermais. UMA respiradouro hidrotermal é uma quebra ou fissura na superfície da Terra que libera água aquecida geotermicamente. Com a evolução da fotossíntese há cerca de 3 bilhões de anos, alguns organismos em tapetes microbianos passaram a usar uma fonte de energia mais amplamente disponível - a luz solar - enquanto outros dependiam de produtos químicos de fontes hidrotermais para energia e alimentos.

Figura 2. (a) Este tapete microbiano, com cerca de um metro de diâmetro, cresce sobre uma fonte hidrotérmica no Oceano Pacífico em uma região conhecida como "Círculo de Fogo do Pacífico". As chaminés, como a mostrada pela seta, permitem que os gases escapem. (b) Nesta micrografia, bactérias dentro de uma esteirasão visualizadosusando microscopia de fluorescência. (crédito a: modificação do trabalho do Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Cientista Chefe; créditob: modificação da obra de Ricardo Murga, Rodney Donlan, CDC; dados de barra de escala de Matt Russell)

Estromatólitos

UMA estromatólito é uma estrutura sedimentar formada quando os minerais precipitam fora da águadevido aa atividade metabólica dos organismos em uma esteira microbiana. Os estromatólitos formam rochas em camadas feitas de carbonato ou silicato. Embora a maioria dos estromatólitos sejam artefatos do passado, há lugares na Terra onde os estromatólitos ainda estão se formando. Por exemplo, estromatólitos em crescimento foram encontrados no Parque Estadual do Deserto de Anza-Borrego no Condado de San Diego, Califórnia.

Figura 3. (a) Esses estromatólitos vivos estão localizados em Shark Bay, Austrália. (b) Esses estromatólitos fossilizados, encontrados no Parque Nacional Glacier, Montana, têm quase 1,5 bilhão de anos. (crédito a: Robert Young; créditob: P. Carrara, NPS).

Bactérias e arquéias são adaptáveis: vida em ambientes moderados e extremos

Alguns organismos desenvolveram estratégias que lhes permitem sobreviver em condições adversas. Bactérias e arquéias prosperam em uma vasta gama de ambientes: algumas crescem em condições que pareceriam muito normais para nós, enquanto outrassão capazes deprosperar e crescer em condições que matariam uma planta ou um animal. Quase todas as bactérias e arquéias têmalguma forma deuma parede celular, uma estrutura protetora que lhes permite sobreviver em condições hiper e hipoosmóticas. Algumas bactérias do solosão capazes deformam endosporos que resistem ao calor e à seca,deste modopermitindo que o organismo sobreviva até que condições mais favoráveis ​​ocorram. Essas adaptações, junto com outras, permitem que as bactérias sejam as formas de vida mais abundantes em todos os ecossistemas terrestres e aquáticos.

Algumas bactérias e arquéiassão adaptadoscrescer sob condições extremas esão chamadosextremófilos, que significa "amantes de extremos". Extremófilos foram encontrados em todos os tipos de ambientes, como nas profundezas dos oceanos e da terra; em fontes termais, no Ártico e na Antártica; nomuito secolocais; em ambientes químicos agressivos; e em ambientes de alta radiação, apenas para citar alguns. Esses organismos ajudam a nos dar uma melhor compreensão da diversidade da vida e abrem a possibilidade de encontrar espécies microbianas que podem levar à descoberta de novos fármacos terapêuticos ou ter aplicações industriais. Por terem adaptações especializadas que lhes permitem viver em condições extremas, muitos extremófilos não podem sobreviver em ambientes moderados. Existemdiferentesgrupos deextremófilos.Eles são categorizadoscom base nas condições em que crescem melhor e vários habitats são extremos de várias maneiras. Por exemplo, um lago de soda é salgado e alcalino, então os organismos que vivem em um lago de soda devem ser ambos alcalifilos e halófilos. Outros extremófilos, como radiorresistente organismos, não preferem um ambiente extremo (neste caso, um com altos níveis de radiação), mas se adaptaram para sobreviver nele.


Possível NB Discussão Ponto: Como os extremófilos fazem isso?

Você acabou de ler que as bactérias do solo são capazes de sobreviver ao calor e às secas, formando endosporos dormentes resistentes ao calor e à seca. No entanto, nem todos os extremófilos formam endosporos como meio de sobreviver às suas próprias condições ambientais adversas. Você consegue pensar em outras estratégias que outros extremófilos possam ter desenvolvido? Escolha uma linha na Tabela 1 (abaixo) e tente pensar em alguns mecanismos criativos de sobrevivência específicos para esse tipo de extremófilo!


tabela 1. Esta tabela lista alguns extremófilos e suas condições preferidas.
Tipo ExtremófiloCondições para crescimento ideal
AcidófilospH 3 ou abaixo
AlcalifilospH 9 ou acima
TermófilosTemperatura de 60-80 ° C (140-176 ° F)
HipertermófilosTemperatura de 80–122 ° C (176–250 ° F)
PsicrófilosTemperatura de-15° C (5 ° F) ou inferior
HalófilosConcentração de sal de pelo menos 0,2 M
OsmófilosAlta concentração de açúcar

Figura 4.Deinococcusradioduranos, visualizada nesta micrografia eletrônica de transmissão em cores falsas, é uma bactéria que pode tolerar doses muito altas de radiação ionizante. Ela desenvolveu mecanismos de reparo de DNA que permitem reconstruir seu cromossomo, mesmo quefoi quebradoem centenas de pedaços por radiação ou calor. (crédito: modificação do trabalho de Michael Daly; dados da barra de escala de Matt Russell)

Notas de rodapé

1. Battistuzzi, FU, Feijao, A, e Hedges, SB. Uma escala de tempo genômica da evolução dos procariotos: percepções sobre a origem da metanogênese,fototrofia, e a colonização da terra. BioMed Central: Evolutionary Biology 4 (2004): 44, doi: 10.1186 / 1471-2148-4-44.

Estrutura celular de bactérias e arquéias

Nesta seção, discutiremos as características estruturais básicas das bactérias e arqueas. Existem muitas semelhanças estruturais, morfológicas e fisiológicas entre bactérias e arqueas. Conforme discutido na seção anterior, esses micróbios habitam muitos nichos ecológicos e realizam uma grande diversidade de processos bioquímicos e metabólicos. Tanto as bactérias quanto as arqueas não têm um núcleo ligado à membrana e organelas ligadas à membrana, que são marcas registradas dos eucariotos.

Enquanto Bacteria e Archaea são domínios separados, morfologicamente eles compartilhamum número decaracterísticas estruturais. Como resultado, eles enfrentam problemas semelhantes, como o transporte de nutrientes para a célula, a remoção de resíduos da célula e a necessidade de responder às rápidas mudanças ambientais locais. Nesta seção, vamos nos concentrar em como sua estrutura celular comum permite que eles prosperem em vários ambientes e, ao mesmo tempo, os restringe.Uma das maiores restrições está relacionadapara o tamanho da célula.

Embora as bactérias e arqueas tenham uma variedade de formas, as três formas mais comuns sãodo seguinte modo: cocos (esféricos), bacilos (em forma de bastonete) e espirilos (em forma de espiral) (figura abaixo). Ambas as bactérias e arqueas sãogeralmentepequeno em comparação com eucariotos típicos. Por exemplo, a maioria das bactériastende a serna ordem de 0,2 a 1,0µm(micrômetros) de diâmetro e 1-10µmem comprimento. No entanto, existem exceções. Epulopiscium fishelsoni é uma bactéria em forma de bacilo que tem normalmente 80µmde diâmetro e 200-600µmgrande. Thiomargarita namibiensis é uma bactéria esférica entre 100 e 750µmde diâmetro e é visível a olho nu. Para comparação, um neutrófilo humano típico tem aproximadamente 50µmem diâmetro.

Figura 1. Esta figura mostra as três formas mais comuns de bactérias e arquéias: (a) cocos (esféricos), (b) bacilos (em forma de bastonete) e (c) espirilos (em forma de espiral).


Possível NB Discussão Ponto: Por que as bactérias e as arqueas são tão pequenas?

Por que as bactérias e arqueas são tão pequenas? Quais são as restrições que os estão mantendo em tamanho microscópico (ou seja, o que os impede de ficarem maiores?)? Como, então, exatamente o relativamente gigante Thiomargarita namibiensis (que tem um volume celular três milhões de vezes o volume de uma bactéria média e é visível a olho nu) e outras bactérias maiores superam essas restrições? Imaginepossívelexplicações ou hipóteses que possam responder a essas questões.Exploraremos e desenvolveremos uma compreensão dessas questões com mais detalhes abaixo e em sala de aula.


A célula bacteriana e arqueada: estruturas comuns

Introdução à estrutura celular básica

Bactérias e arquéias são organismos unicelulares, que não possuem estruturas internas ligadas à membrana que estão desconectadas da membrana plasmática, uma membrana fosfolipídica que define a fronteira entre o interior e o exterior da célula. Em bactérias e arquéias, a membrana citoplasmática também contém todas as reações ligadas à membrana, incluindo aquelas relacionadas à cadeia de transporte de elétrons, ATP sintase e fotossíntese. Por definição, essas células não têm núcleo. Em vez disso, seu material genético está localizado em uma área autodefinida da célula chamada nucleóide. O cromossomo bacteriano e arqueado é frequentemente uma única molécula de DNA de fita dupla circular covalentemente fechada. No entanto, algumas bactérias têm cromossomos lineares, e algumas bactérias e arqueas têm mais de um cromossomo ou pequenos elementos de DNA replicantes circulares não essenciais chamados plasmídeos. Além do nucleóide, a próxima característica comum é o citoplasma (ou citosol), a região gelatinosa "aquosa" que abrange a porção interna da célula. O citoplasma é onde ocorrem as reações solúveis (não associadas à membrana) e contém os ribossomos, o complexo proteína-RNA onde as proteínas são sintetizadas. Por fim, muitas bactérias e arquéias também têm paredes celulares, a característica estrutural rígida que envolve a membrana plasmática que ajuda a fornecer proteção e restringir o formato da célula. Você deve aprender a criar um esboço simples de uma bactéria geral ou célula arquea de memória.

Figura 2. As características de uma célula procariótica típica são mostradas.

Restrições na célula bacteriana e archaeal

Um comum, quase universal,recursode bactérias e arquéias é que elas são pequenas, microscópicas para ser exato. Mesmo os dois exemplos dados como exceções, Epulopisciumfishelsoni e Thiomargaritanamibiensis, ainda enfrentam as restrições básicas que todas as bactérias e arqueas enfrentam; elassimplesmenteencontraram estratégias únicas em torno do problema. Então, qual é a maior restriçãoquando se trata delidando com o tamanho das bactérias e arqueas? Pense no que a célula deve fazer para sobreviver.

Alguns requisitos básicos

Então, o que as células precisam fazer para sobreviver? Eles precisam transformar a energia em uma forma utilizável. Isso envolve a produção de ATP, a manutenção de uma membrana energizada e a manutenção de NAD produtivo+/ NADH2 índices. As células também precisamser capaz desintetizar oapropriadomacromoléculas (proteínas, lipídios, polissacarídeos, etc.)eoutros componentes estruturais celulares. Para fazer isso, eles precisamser capaz deou fazer do núcleo, precursores-chave para moléculas mais complexas, ou obtê-los do ambiente.

Difusão e sua importância para bactérias e arquéias

O movimento por difusão é passivo e prossegue no gradiente de concentração. Para que os compostos se movam de fora para dentro da célula, eles devem ser capazes de atravessar a bicamada fosfolipídica. Se a concentração de uma substância é menor dentro da célula do que fora e tem propriedades químicas que permitem que ela se mova através da membrana celular, esse composto irá energicamentequerermover para a célula. Enquanto a história "real" éum poucomais complexo e vaiser discutidoem mais detalhes posteriormente, a difusão é umdos mecanismosbactérias e arquéiasusarpara auxiliar no transporte de metabólitos.

A difusão também podeser usado parase livrar de alguns resíduos. Conforme os resíduos se acumulam dentro da célula, sua concentração aumenta em comparação com a do ambiente externo, e os resíduos podem deixar a célula. O movimento dentro da célula funciona da mesma maneira: os compostos irão se mover para baixo em seu gradiente de concentração, para longe de onde elessão sintetizadospara lugares onde sua concentração é baixa e, portanto, podemser necessário. A difusão é um processo aleatório - a capacidade de dois compostos ou reagentes diferentes interagirem com as reações químicas torna-se um encontro do acaso. Portanto, em espaços pequenos e confinados, interações aleatórias ou colisões podem ocorrer com mais freqüência do que em grandes espaços.

A capacidade de difusão de um composto depende da viscosidade do solvente. Por exemplo, é muito mais fácil para você se mover no ar do que na água (pense em se mover embaixo da água em uma piscina). Da mesma forma, é mais fácil para você nadar em uma piscina com água do que em uma piscina cheia de pasta de amendoim. Se você colocar uma gota de corante alimentar em um copo de água, ela se difunde rapidamente até que todo o copo mude de cor. Agora, o que você acha que aconteceria se você colocasse a mesma gota de corante alimentar em um copo de xarope de milho (muito viscoso e pegajoso)? Vai demorar muito

mais tempo

para o copo de xarope de milho mudar de cor.

A relevância desses exemplos é

anotar

que o citoplasma

tende a ser

muito viscoso. Ele contém muitas proteínas, metabólitos, pequenas moléculas,

etc.

e tem uma viscosidade mais parecida com o xarope de milho do que com a água. Portanto, a difusão nas células é mais lenta e limitada do que você poderia ter esperado originalmente. Portanto, se as células dependem apenas da difusão para mover os compostos, o que você acha que acontece com a eficiência desses processos à medida que as células aumentam de tamanho e seus volumes internos ficam maiores? Existe um problema potencial para crescer que

está relacionado

para o processo de difusão?

Então, como as células ficam maiores?

Como você provavelmente concluiu da discussão acima, com células que dependem da difusão para mover coisas ao redor da célula, como bactérias e arquéias, tamanhoimporta. Então, como você acha Epulopisciumfishelsoni e Thiomargaritanamibiensis ficou tão grande?Dê uma olhadanesseslinks,e veja como essas bactérias se parecem morfológica e estruturalmente: Epulopisciumfishelsoni e Thiomargaritanamibiensis.

Com base no que acabamos de discutir, para que as células fiquem maiores,isso é,para que seu volume aumente, o transporte intracelular deve de alguma forma tornar-se independente da difusão. Um dos grandes saltos evolutivos foi a capacidade das células (células eucarióticas) de transportar compostos e materiais intracelularmente, independentemente da difusão. A compartimentalização também forneceu uma maneira de localizar processos em organelas menores, o que superou outro problema causado pelo grande tamanho. A compartimentação e os complexos sistemas de transporte intracelular permitiram que as células eucarióticas se tornassem muito grandesem comparaçãoàs células bacterianas e arqueadas com difusão limitada. Discutiremos soluções específicas para esses desafios nas seções a seguir.

Membranas

As membranas plasmáticas envolvem e definem as fronteiras entre o interior e o exterior das células. Elassão tipicamente compostosdo dinâmico bicamadas de fosfolipídios em que várias outras moléculas e proteínas solúveis em lipídios também têmfoi incorporado. Essas bicamadas são assimétricas - a folha externa difere da folha interna na composição lipídica e nas proteínas e carboidratos queEstão exibidaspara dentro ou fora da célula. Uma das principais funções da membrana celular externa é comunicar a identidade única da célula a outras células. As proteínas, lipídios e açúcares exibidos na membrana celular permitem que as célulasser detectadopor e para interagir com parceiros específicos.

Vários fatores influenciam a fluidez, permeabilidade e várias outras propriedades físicas da membrana. Estes incluem a temperatura, a configuração das caudas de ácidos graxos (alguns

estão torcidos

por ligações duplas), esteróis (isto é, colesterol) embutidos na membrana e a natureza em mosaico das muitas proteínas embutidas nela. A membrana plasmática é “seletivamente permeável”. Isso significa que permite a passagem de apenas algumas substâncias, enquanto exclui outras. Além disso, a membrana plasmática deve, às vezes, ser flexível o suficiente para permitir que certas células, como as amebas, mudem de forma e direção à medida que se movem pelo ambiente, caçando organismos unicelulares menores.

Clique no link a seguir para ver uma ameba em ação: Vídeo de caça às amebas

Membranas celulares

Um subobjetivo em nosso desafio de design "construir uma célula" é criar um limite que separe o "interior" da célula do ambiente "externo". Esse limite precisa servir a várias funções que incluem:

  1. Atua como uma barreira, impedindo que alguns compostos entrem e saiam da célula.
  2. Seja seletivamente permeávelem ordempara transportar compostos específicos para dentro e para fora da célula.
  3. Receba, sinta e transmita sinais do ambiente para o interior da célula.
  4. Projete "eu" para os outros, comunicando a identidade a outras células próximas.

figura 1. O diâmetro de um balão típico é de 25 cm e a espessura do plástico do balão é de cerca de 0,25 mm. Esta é uma diferença de 1000X. Uma célula eucariótica típica terá um diâmetro celular de cerca de50µme uma espessura de membrana celular de 5 nm. Esta é uma diferença de 10.000 vezes.


A proporção da espessura da membrana em comparação com o tamanho de uma célula eucariótica média é muito maior em comparação com a de um balão esticado com ar. Pensarnaquelaa fronteira entre a vida e a não-vida é tão pequena e aparentemente frágil, mais do que um balão, sugere que estruturalmente a membrana deve ser relativamente estável. Retire as informações que já cobrimos nesta aula para refletir sobre como as membranas celulares conseguem ser tão estáveis.

Modelo de mosaico fluido

O modelo de mosaico fluido descreve o movimento dinâmico donumerosoproteínas, açúcares e lipídios incorporados na membrana plasmática da célula.

Às vezes é útil começar nossa discussão relembrando o tamanho da membrana celular em relação ao tamanho de toda a célulacélula. As membranas plasmáticas variam de 5 a 10nmem espessura. Para comparação, os glóbulos vermelhos humanos, visíveis através de microscopia de luz, são aproximadamente 8µmde largura, ou aproximadamente 1.000 vezes mais larga do que a espessura de uma membrana plasmática. Isso significa que a barreira celular é muito fina em comparação com o tamanho do volume que ela envolve. Apesar deste dramático diferencial de tamanho, a membrana celular deveno entantoainda realizar sua barreira principal, transporte e capacidades de reconhecimento celular e, portanto, deve ser uma estrutura relativamente “sofisticada” e dinâmica.

Figura 2. O modelo de mosaico fluido da membrana plasmática descreve a membrana plasmática como uma combinação fluida de fosfolipídios, colesterol e proteínas. Carboidratos ligados a lipídios (glicolipídios) eparaproteínas (glicoproteínas) estendem-se da superfície externa da membrana.

Os principais componentes de uma membrana plasmática são lipídios (fosfolipídios e colesterol), proteínas, e carboidratos. Os carboidratos estão presentes apenas na superfície externa da membrana plasmática eestão inclusosa proteínas, formando glicoproteínas, ouparalipídios, formando glicolipídios. As proporções de proteínas, lipídios e carboidratos na membrana plasmática podem variar com o organismo e o tipo de célula. Em uma célula humana típica, as proteínas respondem por massivos 50% da composição em massa, os lipídios (de todos os tipos) respondem por cerca de 40% da composição em massa e os carboidratos representam os 10% restantes da composição em massa. No entanto, a especialização funcional celular pode fazer com que essas proporções de componentes variem dramaticamente. Por exemplo, a mielina, uma conseqüência da membrana de células especializadas, isola os axônios dos nervos periféricos, contém apenas 18% de proteínas e 76% de lipídios.Em contraste, oa membrana mitocondrial interna contém 76 por cento de proteína e apenas 24 por cento de lipídios, e a membrana plasmática dos glóbulos vermelhos humanos é de 30 por cento de lipídios.

Fosfolipídios

Fosfolipídios são os principais constituintes da membrana celular. Fosfolipídios são feitos de um glicerol espinha dorsal para a qual doiscaudas de ácido graxo e um grupo fosfatoforam anexados- um paracada um decada um dos átomos de carbono do glicerol. O fosfolipídeo é, portanto, um anfipático molécula, o que significa que tem uma parte hidrofóbica (caudas de ácidos graxos) e uma parte hidrofílica (grupo de cabeça de fosfato).

Certifique-se de observar na Figura 3 abaixo que o grupo fosfato tem um grupo R ligado a um dos átomos de oxigênio. R é uma variável comumente usada nesses tipos de diagramas para indicar que algum outro átomo ou molécula está ligado a essa posição. Essa parte da molécula pode ser diferente em diferentes fosfolipídios - e transmitirá alguma química diferente para a molécula inteira. No momento, entretanto, você é responsável por ser capaz de reconhecer esse tipo de molécula (não importa qual seja o grupo R) por causa dos elementos centrais comuns - a estrutura do glicerol, o grupo fosfato e as duas caudas de hidrocarboneto.

Figura 3. Um fosfolipídio é uma molécula com dois ácidos graxos e ummodificadogrupo fosfato ligado a uma estrutura de glicerol.O fosfato pode ser modificado pela adição de grupos químicos carregados ou polares. Vários grupos químicos R podemmodificaro fosfato. Colina, serina e etanolaminasão mostradosaqui. Estes se ligam ao grupo fosfato na posição rotulada R por meio de seus grupos hidroxila.
Atribuição:Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Quando muitos fosfolipídiosestão juntos expostospara um ambiente aquoso, eles podem se organizar espontaneamente em várias estruturas, incluindo micelas e bicamadas de fosfolipídios. Este último é a estrutura básica da membrana celular. Em uma bicamada de fosfolipídios, os fosfolipídios se associam entre si em doisvoltado para o lado opostolençóis. Em cada folha, as partes apolares dos fosfolipídios estão voltadas para dentro, uma em direção à outra, compondo a parte interna da membrana, e os grupos de cabeça polar voltados opostamente para os ambientes aquoso extracelular e intracelular.


Possível NB Discussão Apontar

No início do curso, discutimos a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que a entropia geral do universo está sempre aumentando. Aplique esta lei no contexto da formação da membrana da bicamada lipídica. Como é possível que os lipídios sejam capazes de se organizar espontaneamente em tal estrutura organizada, em vez de se espalharem para um estado mais desordenado? Ou em outras palavras - se a segunda lei for verdadeira, então como exatamente a organização espontânea dos lipídios leva ao aumento da entropia?


Figura 4. Na presença de água, alguns fosfolipídios irão se organizar espontaneamente em uma micela.Os lipídios serão organizadosde modo que seus grupos polares estarão do lado de fora da micela, e as caudas apolares estarão do lado de dentro. Uma bicamada lipídica também pode se formar, uma folha de duas camadas com apenas alguns nanômetros de espessura. A bicamada lipídicaconsiste emduas camadas de fosfolipídios organizados de forma que todas as caudas hidrofóbicas se alinhem lado a lado no centro da bicamada eestão cercadospelos grupos de cabeça hidrofílicos.
Fonte: Criado por Erin Easlon (trabalho próprio)

As proteínas constituem o segundo principal componente das membranas plasmáticas. Proteínas integrais de membrana, como o nome sugere, integram-se completamente na estrutura da membrana, e suas regiões hidrofóbicas que abrangem a membrana interagem com a região hidrofóbica da bicamada fosfolipídica.

Algumas proteínas de membrana se associam com apenas uma metade da bicamada, enquanto outras se estendem de um lado a outro da membrana, esão expostospara o meio ambiente em ambos os lados. Proteínas de membrana integral podem ter um ou mais segmentos transmembrana tipicamenteconsiste em20-25 aminoácidos. Dentro dos segmentos transmembranares, grupos variáveis ​​de aminoácidos hidrofóbicos se organizam para formar uma superfície quimicamente complementar às caudas hidrofóbicas dos lipídios da membrana.

Proteínas periféricassão encontradosem apenas um lado da membrana, mas nunca embutido na membrana. Eles podem estar no lado intracelular ou no lado extracelular, e fracamente ou temporariamente associados às membranas.

Figura 5. Proteínas de membranas integrais podem ter um ou maisα- hélices (cilindros rosa) que abrangem a membrana (exemplos 1 e 2), ou eles podem ter β-folhas (retângulos azuis) que abrangem a membrana (exemplo 3). (crédito: “Foobar” / Wikimedia Commons)

Carboidratos

Os carboidratos são o terceiro componente principal das membranas plasmáticas. Elasestãosempreencontradona superfície externa das células esão ligadosquer para proteínas (formando glicoproteínas) ouparalipídios (formando glicolipídios).Esses carboidratoscorrentes podemconsiste em2-60 unidades de monossacarídeo e podem serqualquerreta ou ramificada. Junto com as proteínas periféricas, os carboidratos formam locais especializados na superfície celular que permitem que as células se reconheçam(um dos principais requisitos funcionais observados acima.

Fluidez da membrana

As proteínas e lipídios integrais existem na membrana como moléculas separadas e "flutuam" na membrana, movendo-seem relação aum outro. A membrana não é como um balão; por causa das propriedades elásticas de seu plástico, um balão pode facilmente crescer e encolher sua área de superfície sem estourar e ao mesmo tempo manter a mesma forma circular áspera.Em contraste, omembrana de plasmanão é capaz deresistir ao alongamento ou compressão isotrópica e podeser facilmente estouradoquando um desequilíbrio de soluto entre dentro e fora faz com que a água entre repentinamente. Uma perda repentina de água fará com que ela enrugue e enrugue, mudando drasticamente a forma da célula.istoé bastante rígido e pode estourar se for penetrado ou se uma célula absorver muita água ea membrana está esticadamuito longe. No entanto, por causa de sua natureza em mosaico, uma agulha muito fina pode facilmente penetrar na membrana plasmática sem causar seu estouro (os lipídios fluem ao redor da ponta da agulha), e a membrana se auto-selará quando a agulhaé extraído.

Diferentes organismos e tipos de células em organismos multicelulares podem ajustar a fluidez de sua membrana para ser mais compatível com funções especializadas e / ou em resposta a fatores ambientais. Esta afinação podeSer realizadoajustando o tipo e a concentração de vários componentes da membrana, incluindo os lipídios, seusgrau desaturação, os lipídios, seusgrau desaturação, as proteínas e outras moléculas como o colesterol. Existem dois outros fatores que ajudam a manter essa característica do fluido. Um fator é a natureza dos próprios fosfolipídios. Em sua forma saturada, os ácidos graxos nas caudas dos fosfolipídios são saturados com átomos de hidrogênio. Não há ligações duplas entre os átomos de carbono adjacentes, resultando em caudas que são relativamente retas.Em contraste, insaturadoos ácidos graxos não têm um complemento total de átomos de hidrogênio em suas caudas de ácidos graxos e, portanto, contêm algumas ligações duplas entre átomos de carbono adjacentes; uma ligação dupla resulta em uma dobra na cadeia de carbonos de aproximadamente 30 graus.

Figura 6.Qualquer membrana celular será compostade uma combinação de fosfolipídios saturados e insaturados. A proporção dos dois influenciará a permeabilidade e a fluidez da membrana. Uma membrana composta decompletamentelipídios saturados serão densos e menos fluidos, e uma membrana composta decompletamenteos lipídios insaturados serão muito soltos e muito fluidos.


Ácidos graxos saturados, com caudas retas,são comprimidosdiminuindo as temperaturas, eles se pressionam, formando uma membrana densa e bastante rígida. Por outro lado, quando os ácidos graxos insaturadossão comprimidos, as caudas “dobradas” afastam as moléculas de fosfolipídios adjacentes, mantendo algum espaço entre as moléculas de fosfolipídios. Esta “sala de cotovelo” ajuda a manter a fluidez na membrana em temperaturas nas quais as membranas com altas concentrações de caudas de ácidos graxos saturados “congelariam” ou solidificariam. A fluidez relativa da membrana éparticularmenteimportante em um ambiente frio. Muitos organismos (peixes são um exemplo)são capazes de se adaptarpara ambientes frios, alterando a proporção de ácidos graxos insaturados em suas membranas em resposta à redução da temperatura.

Colesterol

As células animais têm colesterol, um constituinte adicional da membrana queauxilia na manutençãofluidez. Colesterol, que fica bem entre os fosfolipídios nomembrana,tende a umedeceros efeitos da temperatura na membrana.O colesterol enrijece e aumenta a fluidez da membrana, dependendo da temperatura. Baixas temperaturas fazem com que os fosfolipídios se compactem mais firmemente, criando uma membrana mais rígida.Nesse caso, as moléculas de colesterolservir paraespaçar os fosfolipídios e evitar que a membrana se tornetotalmenterígido. Por outro lado, temperaturas mais altas contribuem para que os fosfolipídios se afastem um do outro e, portanto, para uma membrana mais fluida, mas as moléculas de colesterol na membrana ocupam espaço e impedem a dissociação completa dos fosfolipídios.

Assim, o colesterol estende, em ambas as direções, a faixa de temperatura na qual a membrana é adequadamente fluida e, conseqüentemente, funcional. O colesterol também desempenha outras funções, como organizar grupos de proteínas transmembrana em jangadas de lipídios.

Figura 7. O colesterol se encaixa entre os grupos fosfolipídios dentro da membrana.

Revisão dos componentes da membrana

Membranas Archaeal

Uma grande diferença que separa as arqueas de eucariotos e bactérias é sua composição lipídica de membrana. Embora eucariotos, bactérias e arqueas usem estruturas de glicerol em seus lipídios de membrana, as arqueas usam longas cadeias de isoprenóides (20-40 carbonosem comprimento, derivado do lipídeo de cinco carbonos isopreno) naquelaestão inclusosatravés da éter ligações ao glicerol, enquanto os eucariotos e as bactérias têm ácidos graxos ligados ao glicerol via éster ligações.

Os grupos de cabeças polares diferem com base no gênero ou espécie de Archaea econsiste emmisturas de grupos glico (principalmente dissacarídeos) e / ou grupos fosfo principalmente de fosfoglicerol, fosfoserina, fosfoetanolamina ou fosfoinositol. A estabilidade inerente e as características únicas dos lipídios de arquea os tornaram um biomarcador útil para arqueas em amostras ambientais, embora as abordagens baseadas em marcadores genéticos sejam agora mais comumente usadas.

Uma segunda diferença entre as membranas bacterianas e arqueadas queÉ associadocom algum archaea éa presença demembranas monocamada, conforme ilustrado abaixo. Observe que a cadeia isoprenóide está ligada à estrutura do glicerol em ambas as extremidades, formando uma única moléculaconsiste emdois grupos de cabeça polares ligados por meio de duas cadeias isoprenóides.

Figura 8. A superfície externa da membrana plasmática archaeal não é idêntica à superfície interna da mesma membrana.

Figura 9. Comparações de diferentestipos delípidos arquea e lípidos bacterianos / eucarióticos

Transporte através da membrana

Problema de desafio de design e subproblemas

Problema Geral: A membrana celular deve atuar simultaneamente como uma barreira entre "IN" e "OUT" e controlar especificamente que substâncias entram e saem da célula e com que rapidez e eficiência o fazem.

Subproblemas: As propriedades químicas das moléculas que devem entrar e sair da célula são altamente variáveis. Alguns subproblemas associados a isso são: (a) Moléculas grandes e pequenas ou coleções de moléculas devem ser capazes de atravessar a membrana. (b) Tanto as substâncias hidrofóbicas quanto as hidrofílicas devem ter acesso ao transporte. (c) As substâncias devem ser capazes de atravessar a membrana com e contra gradientes de concentração. (d) Algumas moléculas parecem muito semelhantes (por exemplo,N / D+ e K+), mas os mecanismos de transporte ainda devem ser capazes de distingui-los.

Perspectiva da história de energia

Podemos considerar o transporte através de uma membrana a partir de uma perspectiva de história de energia; é um processoAfinal. Por exemplo, no início do processo, uma substância genérica X pode estar no interior ou no exterior da célula. No final do processo, a substância estará do lado oposto de onde começou.

por exemplo. X(no) ---> X(Fora),

onde dentro e fora se referem a dentro e fora da célula,respectivamente.

Noo início da questão no sistema podeser muito complicadocoleção de moléculas dentro e fora da célula, mas com uma molécula de X a mais dentro da célula do que fora. No final, há mais uma molécula de X do lado de fora da célula e menos uma do lado de dentro. A energia no sistema no inícioestá armazenadoprincipalmente nas estruturas moleculares e seus movimentos e nos desequilíbrios de concentração elétricos e químicos através da membrana celular. O transporte de X para fora da célula não mudará as energias das estruturas moleculares significativamente, mas mudará a energia associada ao desequilíbrio de concentração e / ou carga através da membrana. Ou seja, o transporte será, como todas as outras reações, exergônico ou endergônico. Finalmente, algum mecanismo ou conjuntos de mecanismos de transporte precisarãoser descrito.


Permeabilidade seletiva

Uma das grandes maravilhas da membrana celular é sua capacidade de regular a concentração de substâncias dentro da célula. Essas substâncias incluem: íons como Ca2+,N / D+, K+, e Cl; nutrientes, incluindo açúcares, ácidos graxos e aminoácidos; e produtos residuais, particularmente dióxido de carbono (CO2), que deve sair da célula.

A estrutura de bicamada lipídica da membrana fornece o primeiro nível de controle. Os fosfolipídios se compactam fortemente e a membrana tem um interior hidrofóbico. Esta estrutura sozinha criao que é conhecido comouma seletivamente permeável barreira, aquela que apenas permite que substâncias que atendam a certos critérios físicos passem por ela. Nocaso do celularmembrana, apenas materiais não polares relativamente pequenos podem se mover através da bicamada lipídica em taxas biologicamente relevantes (lembre-se, as caudas lipídicas da membrana são não polares).

Permeabilidade seletiva da membrana celular refere-se à sua capacidade de diferenciar entre diferentes moléculas, permitindo apenas a passagem de algumas moléculas enquanto bloqueia outras. Algumas dessas propriedades seletivas derivam das taxas de difusão intrínseca para diferentes moléculas através de uma membrana. Um segundo fator que afeta as taxas relativas de movimento de várias substâncias através de uma membrana biológica é a atividade de vários transportadores de membrana baseados em proteínas, tanto passivos quanto ativos, que irãoser discutidoem mais detalhes nas seções subsequentes. Primeiro, assumimos a noção de taxas intrínsecas de difusão através da membrana.

Permeabilidade relativa

Que substâncias diferentes podem atravessar uma membrana biológica em taxas diferentes deve ser relativamente intuitivo. Existem diferenças na composição do mosaico das membranas em biologia e diferenças nos tamanhos, flexibilidade e propriedades químicas das moléculas.é lógico queas taxas de permeabilidade variam. É uma paisagem complicada. A permeabilidade de uma substância através de uma membrana biológica podeser medidoexperimentalmente e podemos relatar a taxa de movimento através de uma membrana emo que é conhecido comocoeficientes de permeabilidade da membrana.

Coeficientes de permeabilidade da membrana

Abaixo, traçamos uma variedade de compostos

em relação a

seus coeficientes de permeabilidade de membrana (MPC) medidos em comparação com uma aproximação bioquímica simples de uma membrana biológica real. O coeficiente de permeabilidade relatado para este sistema é a taxa em que ocorre a difusão simples através de uma membrana e

é relatado

em unidades de centímetros por segundo (cm / s). O coeficiente de permeabilidade é proporcional ao coeficiente de partição e inversamente proporcional à espessura da membrana.

É importante que você possa ler e interpretar o diagrama abaixo. Quanto maior o coeficiente, mais permeável é a membrana ao soluto. Por exemplo, o ácido hexanóico é muito permeável, um MPC de 0,9; ácido acético, água e etanol têm MPCs entre 0,01 e 0,001 e são menos permeáveis ​​que o ácido hexanóico. Enquanto que

íons,

como o sódio (

N / D

+), tem um MPC de 10-12

,

e cruzar a membrana a uma taxa comparativamente lenta.

figura 1. Diagrama do coeficiente de permeabilidade da membrana. O diagramafoi pegoa partir deBioWikie podeser encontradono http://biowiki.ucdavis.edu/Bioquímica...e_Permeabilidade.

Embora existam certas tendências ou propriedades químicas que podemser aproximadamente associadocom uma permeabilidade composta diferente (coisas pequenas passam "rápido", coisas grandes "lentamente", coisas carregadas nem um pouco etc.), alertamos contra a generalização excessiva. Os determinantes moleculares da permeabilidade da membranasão complicadose envolvem muitos fatores, incluindo: a composição específica da membrana, temperatura, composição iônica, hidratação; as propriedades químicas do soluto; as potenciais interações químicas entre o soluto em solução e na membrana; as propriedades dielétricas dos materiais; e as compensações de energia associadas à movimentação de substâncias para dentro e para fora de vários ambientes. Portanto, nesta aula, ao invés de tentar aplicar "regras" e tentar desenvolver muitos "cortes" arbitrários, vamos nos esforçar para desenvolver um senso geral de algumas propriedades que podem influenciar a permeabilidade e deixar a atribuição de permeabilidade absoluta para taxas relatadas experimentalmente. Além disso, também tentaremos minimizar o uso de vocabulário que dependa de um quadro de referência. Por exemplo, dizer que o composto A se difunde "rapidamente" ou "lentamente" por uma bicamada só significa algo se os termos "rapidamente" ou "lento"são definidos numericamenteouo contexto biológico é compreendido.

Osmose

Osmose é o movimento da água através de uma membrana semipermeável de acordo com o gradiente de concentração da água através da membrana, que é inversamente proporcional à concentração de solutos. Enquanto a difusão transporta o material através das membranas e dentro das células, a osmose transporta só água através de uma membrana e a membrana limita a difusão de solutos na água. As aquaporinas que facilitam o movimento da água desempenham um grande papel na osmose, mais proeminentemente nos glóbulos vermelhos e nas membranas dos túbulos renais.

Mecanismo

A osmose é um caso especial de difusão. A água, como outras substâncias, passa de uma área de alta concentração para uma de baixa concentração. Uma pergunta óbviaé o quefaz a água se mover? Imagine um béquer com uma membrana semipermeável separando os dois lados ou metades. Em ambos os lados da membrana, o nível de água é o mesmo, mas existem diferentes concentrações de uma substância dissolvida, ou soluto, que não pode atravessar a membrana (caso contrário, as concentrações em cada ladoser equilibradopelo soluto cruzando a membrana). Se o volume da solução em ambos os lados da membrana for o mesmo, mas as concentrações de soluto forem diferentes, então haverá diferentes quantidades de água, o solvente, em cada lado da membrana.

Figura 8. Na osmose, a água sempre se move de uma área de maior concentração para outra de menor concentração. No diagrama mostrado, o soluto não pode passar pela membrana seletivamente permeável, mas a água pode.

Para ilustrar isso, imagine dois copos cheios de água. Um contém uma única colher de chá de açúcar, enquanto o segundo contém um quarto de xícara de açúcar. Se o volume total das soluções em ambos os copos for o mesmo, qual copo contém mais água? Como a grande quantidade de açúcar na segunda xícara ocupa muito mais espaço do que a colher de chá de açúcar na primeira xícara, a primeira xícara contém mais água.

Voltando ao exemplo do béquer, lembre-se de que ele tem uma mistura de solutos em cada lado da membrana. Um princípio de difusão é que as moléculas se movem e se espalharão uniformemente por todo o meio, se puderem. No entanto, apenas o material capaz de passar pela membrana se difundirá por ela. Neste exemplo, o soluto não pode se difundir através da membrana, mas a água pode. A água tem um gradiente de concentração neste sistema. Assim, a água se difundirá descendo seu gradiente de concentração, cruzando a membrana para o lado onde está menos concentrada. Essa difusão de água através da membrana - osmose - continuará até que o gradiente de concentração de água chegue a zero ou até que a pressão hidrostática da água equilibre a pressão osmótica. A osmose ocorre constantemente nos sistemas vivos.

Tonicidade

Tonicidade descreve como uma solução extracelular pode alterar o volume de uma célula, afetando a osmose. A tonicidade de uma solução freqüentemente está diretamente correlacionada com a osmolaridade da solução. Osmolaridade descreve a concentração total de soluto da solução. Uma solução com baixa osmolaridade possui um maior número de moléculas de água em relação ao número de partículas de soluto; uma solução com alta osmolaridade temmenosmoléculas de águaem relação apartículas de soluto. Em uma situação em que soluções de duas osmolaridades diferentessão separadospor uma membrana permeável à água, embora não ao soluto, a água se moverá do lado da membrana com menor osmolaridade (e mais água) para o lado com maior osmolaridade (e menos água). Esse efeito faz sentido se você lembrar que o soluto não pode se mover através da membrana e, portanto, o único componente do sistema que pode se mover - a água - se move ao longo de seu próprio gradiente de concentração. Uma distinção importante que diz respeito aos sistemas vivos é que a osmolaridade mede o número de partículas (que podem ser moléculas) em uma solução. Portanto, uma soluçãoisso éturvo com células pode ter uma osmolaridade mais baixa do que uma solução que é límpida se a segunda solução contiver mais moléculas dissolvidas do que células.

Para assistir a um vídeo ilustrando o processo de difusão em soluções, visite este site.

Soluções hipotônicas

Três termos - hipotônico, isotônico e hipertônico - são usados ​​para relacionar a osmolaridade de uma célula à osmolaridade do líquido extracelular que contém as células. Em um hipotônicosituação, o fluido extracelular temdiminuirosmolaridade do que o fluido dentro da célula, e a água entra na célula (em sistemas vivos, o ponto de referência é sempre o citoplasma, então o prefixo hipopótamo- significa que o líquido extracelular tem uma concentração menor de solutos, ou uma osmolaridade menor, do que o citoplasma da célula). Isso também significa que o fluido extracelular tem uma concentração maior de água na solução do que a célula. Nessa situação, a água seguirá seu gradiente de concentração e entrará na célula.

Soluções hipertônicas

Como para um hipertônico solução, o prefixo hiper- refere-se ao fluido extracelular com uma osmolaridade mais alta do que o citoplasma da célula; portanto, o fluido contém menos água do que a célula. Como a célula tem uma concentração relativamente maior de água, a água deixará a célula.

Soluções isotônicas

Em um isotônico solução, o fluido extracelular tem a mesma osmolaridade da célula. Se a osmolaridade da célula corresponder à do fluido extracelular, não haverá movimento líquido de água para dentro ou para fora da célula, embora a água ainda se mova para dentro e para fora. Células sanguíneas e células vegetais em soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas assumem aparências características - veja a Figura 9 abaixo!


Figura 9. A pressão osmótica altera a forma dos glóbulos vermelhos em soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas. (crédito: Mariana Ruiz Villareal)


Possível NB Discussão Apontar

Claro que existe beber pouca água ... mas existe beber muita água? Discuta o que você acha que acontece quando você bebe uma quantidade excessiva de água - o que está acontecendo no nível da membrana celular? O que está acontecendo com o tamanho da célula? Beber muita água é realmente prejudicial à saúde? Preveja o que aconteceria se mudássemos a bebida para Gatorade em vez de água.


Tonicidade em sistemas vivos

Em um ambiente hipotônico, a água entra na célula e a célula incha. Em uma condição isotônica, as concentrações relativas de soluto e solvente são iguais em ambos os lados da membrana. Não há movimento líquido da água; portanto, não há alteração no tamanho da célula. Em uma solução hipertônica, a água sai da célula e a célula encolhe. Se a hipo ou hipercondição for excessiva, as funções da célula ficam comprometidas e a célula pode ser destruída.

Um glóbulo vermelho irá estourar, ou lisar, quando inchar além da capacidade de expansão da membrana plasmática. Lembre-se de que a membrana se assemelha a um mosaico, com espaços discretos entre as moléculas que a compõem. Se a célula inchar e os espaços entre os lipídios e as proteínas ficarem muito grandes, a célula se fragmentará.

Em contraste, quando quantidades excessivas de água deixam uma célula vermelha do sangue, a célula encolhe. Isso tem o efeito de concentrar os solutos deixados na célula, tornando o citosol mais denso e interferindo na difusão dentro da célula. A capacidade de funcionamento da célula iráser comprometidoe também pode resultar na morte da célula.

Vários seres vivos têm maneiras de controlar os efeitos da osmose - um mecanismo chamado osmorregulação. Alguns organismos, como plantas, fungos, bactérias e alguns protistas, têm paredes celulares que circundam a membrana plasmática e evitam a lise celular em uma solução hipotônica. A membrana plasmática só pode se expandir até o limite da parede celular, de modo que a célula não sofre lise.Na verdade, o citoplasma nas plantas é sempre ligeiramente hipertônico para o ambiente celular, e a água sempre entrará na célula se houver água disponível. Esse influxo de água produz pressão de turgor, que enrijece as paredes celulares da planta. Em plantas não lenhosas, a pressão de turgescência sustenta a planta. Por outro lado, se a planta não for regada, o fluido extracelular se tornará hipertônico, fazendo com que a água saia da célula. Nessa condição, a célula não encolhe porque a parede celular não é flexível. No entanto, a membrana celular se desprende da parede e contrai o citoplasma. Isso é chamado plasmólise. As plantas perdem a pressão de turgescência nessa condição e murcham.

Figura 10. A pressão de turgescência dentro de uma célula vegetal depende da tonicidade da solução em que ela é banhada. (Crédito: modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villareal)

Figura 11. Sem água adequada, a planta à esquerda perdeu a pressão de turgor, visível em seu murchamento; a pressão de turgor é restaurada regando-o (direita). (crédito: Victor M. Vicente Selvas)

A tonicidade é uma preocupação com todas as coisas vivas. Por exemplo, paramécios e amebas, que são protistas sem paredes celulares, têm vacúolos contráteis. Essa vesícula coleta o excesso de água da célula e a bombeia para fora, evitando que a célula estourar ao absorver água de seu ambiente.

Figura 12. O vacúolo contrátil de um paramécio, aqui visualizado usando microscopia de luz de campo brilhante com ampliação de 480x, bombeia água continuamente para fora do corpo do organismo para impedi-lo de estourar em um meio hipotônico. (crédito: modificação do trabalho por NIH; dados da barra de escala de Matt Russell)

Muitos invertebrados marinhos têm níveis internos de sal compatíveis com seus ambientes, tornando-os isotônicos com a água em que vivem. Os peixes, entretanto, precisam gastar aproximadamente 5% de sua energia metabólica mantendo a homeostase osmótica. Os peixes de água doce vivem em um ambiente hipotônico para suas células. Esses peixes absorvem sal ativamente pelas guelras e excretam urina diluída para se livrar do excesso de água. Os peixes de água salgada vivem no ambiente reverso, que é hipertônico para suas células, e secretam sal pelas guelras e excretam urina altamente concentrada.

Nos vertebrados, os rins regulam a quantidade de água no corpo. Os osmorreceptores são células especializadas do cérebro que monitoram a concentração de solutos no sangue. Se os níveis de solutos aumentam além de um certo intervalo, um hormônio é liberado que retarda a perda de água pelo rim e dilui o sangue para níveis mais seguros. Os animais também têm altas concentrações de albumina, que é produzida pelo fígado, no sangue. Essa proteína é muito grande para passar facilmente pelas membranas plasmáticas e é um fator importante no controle das pressões osmóticas aplicadas aos tecidos.

Os componentes e funções da membrana plasmática
ComponenteLocalização
FosfolipídeoTecido principal da membrana
ColesterolEntre os fosfolipídios e entre as duas camadas de fosfolipídios das células animais
Proteínas integrais (por exemplo, integrinas)Incorporado na (s) camada (s) fosfolipídica (s); pode ou não penetrar em ambas as camadas
Proteínas periféricasNa superfície interna ou externa da bicamada fosfolipídica; não embutido nos fosfolipídios
Carboidratos (componentes de glicoproteínas e glicolipídios)Geralmente ligado a proteínas na camada externa da membrana